Эта история началась почти десять лет назад, когда Физтех стал участником программы развития Национальных исследовательских университетов, позволившей закупить собственное оборудование и создать в кампусе научные лаборатории мирового уровня. Следующий шаг был сделан в 2011 году, когда по результатам конкурса Минобрнауки РФ совместными усилиями с ИКИ РАН на Физтехе была создана лаборатория инфракрасной спектроскопии планетных атмосфер высокого разрешения. Тогда ее руководителем стал Владимир Краснопольский — один из самых цитируемых в мире планетологов. В 2016 году в результате реорганизации она получила современное название — лаборатория прикладной инфракрасной спектроскопии (сокращенно ПИКС), — а ее заведующим был назначен Александр Родин.
С самого начала лаборатория работала над улучшением спектроскопических методов анализа атмосфер планет с предельно высоким спектральным разрешением. Правда, на момент ее создания повысить разрешение «классическими» оптическими методами было уже практически невозможно, и специалисты обратились к новым методам лазерной спектроскопии. Если кратко, в ходе подобных исследований среда облучается монохроматическим (проще говоря, одноцветным) лазерным излучением, частота которого специальным образом перестраивается вблизи представляющего интерес квантового перехода. Такая подстройка позволяет заметить самые тонкие особенности спектра излучения и определить не только молекулярный, но и изотопный состав вещества, а также его температуру, давление и даже скорость потока.
Разработанный и впервые в мире реализованный в лаборатории ПИКС метод гетеродинной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения позволяет измерять характеристики среды не только в экспериментальной кювете прибора, но и дистанционно — например, по спектру прошедшего сквозь атмосферу излучения Солнца. Таким образом можно, например, исследовать механизмы глобальных изменений климата и контролировать выбросы парниковых газов, проверяя данные спутникового мониторинга. Конкуренция в этой области очень жесткая, и ближайшие соперники Физтеха из Центра космического полета НАСА имени Годдарда, с которыми наши сотрудники встречаются на конференциях, не скрывают своего интереса к результатам, полученным в Долгопрудном. Именно междисциплинарный характер исследований и разработок, которые ведет лаборатория, а также полученные ею результаты мирового уровня убедили руководство проекта «ЭкзоМарс» в научной значимости, а главное — в возможности реализации эксперимента по исследованию атмосферы Красной планеты при помощи лазерного спектрометра.
«ЭкзоМарс» — первый крупный проект по исследованию дальнего космоса, который реализуется в нашей стране совместно с Европейским космическим агентством. Это сотрудничество опирается на давние научные связи, сложившиеся еще в советскую эпоху. Сейчас это может вызывать удивление, но в пору холодной войны участие иностранных специалистов в разработке научных приборов, отправлявшихся к другим планетам на борту советских межпланетных станций, было обычной практикой. В дальнейшем успешный опыт сотрудничества с ЕКА позволил нашей стране продолжить исследования дальнего космоса в тяжелые времена после развала СССР. Несмотря на неудачи с проектами «Марс-96» и «Фобос-Грунт», разработанные российскими специалистами приборы успешно отработали на межпланетных аппаратах ЕКА «Марс-экспресс» и «Венера-экспресс», аппаратах НАСА «Марс Одиссей» и MRO, марсоходах «Spirit», «Opportunity» и «Curiosity». Поэтому равноправное партнерство Роскосмоса и ЕКА в миссии «ЭкзоМарс», начало которой было положено в 2016 году запуском к Марсу орбитального аппарата TGO c российским комплексом инфракрасных спектрометров ACS на борту, стало вполне закономерным продолжением этого сотрудничества.
Ведущий инженер лаборатории ПИКС Владимир Семенов за отладкой электронной платы лазерного спектрометра
Габаритно-массовый макет марсианского многоканального диодно-лазерного спектрометра М-ДЛС
Следующим этапом миссии будет запуск европейского марсохода «Пастер», который доставит на поверхность планеты российская посадочная платформа. Именно в составе комплекса научной аппаратуры этой платформы, которая после высадки марсохода продолжит автономное существование в качестве исследовательского зонда, будет работать задуманный на Физтехе спектрометр «М-ДЛС». Прибор разрабатывается в кооперации с ИКИ РАН, который изготавливает прибор «в железе» и стыкует его с посадочной платформой в НПО имени А. С. Лавочкина. Физтех разрабатывает самую ответственную часть, по сути, мозг прибора — управляющую электронику и программное обеспечение, в котором «зашита» вся физика эксперимента. Кроме того, Физтех поставил в ИКИ ключевые элементы специализированного рабочего места, где после тщательного контроля и сертификации будет проходить финальная сборка аппаратуры перед отправкой на Марс.
В научные задачи эксперимента входит высокоточное измерение изотопного состава углекислого газа — основной составляющей марсианской атмосферы — и паров воды, которые в силу низких температур присутствуют там в следовых количествах, однако все-таки сказываются на марсианской погоде. Изотопные методы считаются в геохимии самыми точными и достоверными, они помогают восстановить историю формирования планеты и ее климатической системы в геологическом прошлом. В то же время для успешного применения этих методов измерения должны осуществляться с беспрецедентной точностью, и именно поэтому было принято решение о включении в состав миссии лазерного спектрометра, не имеющего конкурентов по чувствительности. И, несмотря на то, что в силу ограничений по массе от наиболее интригующей задачи в современных исследованиях Марса — детектирования метана — было решено отказаться, авторы эксперимента уверены, что он сделает весомый вклад в достижение главной цели миссии «ЭкзоМарс» — выяснение условий существования примитивных форм жизни на Красной планете.
Стажер из Японии Косуки Таками, ведущий по эксперименту М-ДЛС Сергей Зеневич и заведующий лабораторией ПИКС Александр Родин с прототипом лазерного гетеродинного спектрометра на крыше КПМ МФТИ
Бортовой прибор на межпланетном аппарате в составе международного исследовательского проекта — это не только амбициозная научная и инженерная задача, но и отличная реклама возможностей Физтеха. Разработчики прибора уверены, что вслед за известностью в международных научных кругах они приобретут устойчивые деловые связи в высокотехнологичной промышленности, где задачи прецизионного химического и изотопного анализа пока решаются за счет зарубежных технологий.
